市政道路路面結構新型排水系統(tǒng)影響因素研究

惠興智

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

目前，國內(nèi)外關于路面結構排水系統(tǒng)展開大量研究，如苗兆靜[1]提出了公路瀝青路面結構內(nèi)部排水系統(tǒng)的設計流程，研究證明了排水系統(tǒng)設計主要技術指標均滿足規(guī)范要求；游金梅等[2]設計了公路排水系統(tǒng)并模擬了降雨情況下公路面層、基層結構內(nèi)部含水量，通過有限元計算得出路面下層結構自由水是加速路面損壞重要原因；劉毓氚等[3]證明了新型排水系統(tǒng)在基層處于非飽和狀態(tài)開始排水，其排出的水量是傳統(tǒng)方式排水量的1.25倍，可減少積蓄于基層的水量，提高基層承載性能；刁鈺[4]、姬兵亮[5]分別對隧道、橋面排水的影響因素進行了總結，從而采取有效的排水設計方案，確保公路工程的質(zhì)量。由于地區(qū)土質(zhì)條件的差異以及施工條件限制的原因，以往研究大多停留在對傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的優(yōu)化和設計方面，基于此，本文提出了一種新型排水系統(tǒng)設計，通過數(shù)值模擬的方法與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的排水性能進行了比較，并針對新型排水系統(tǒng)的影響因素展開了對比分析，可為類似市政道路新型排水系統(tǒng)設計研究提供有益參考。

1 工程概況

以某城市主干道為例，該道路設計速度采用60 km/h，路面寬度為25.5 m，車道設計為雙向四車道，車道寬3.5 m，左右路肩寬度均為1.5 m，中央隔離帶寬1.5 m，道路兩側設3.5 m人行通道。路面鋪裝采用瀝青混凝土，厚度為14 cm，基層采用水泥穩(wěn)定碎石，厚度為20 cm，路基填土厚度為3.5 m。路面結構排水方式采用新型排水系統(tǒng)取代舊排水系統(tǒng)的底基層，設置在基層和路基之間，該排水系統(tǒng)采用土工織物包裹土工網(wǎng)形式排水，主要由水力傳導層、毛細防滲層和隔離層三部分構成，水力傳導層和隔離層均采用非編織土工織物組成，毛細防滲層采用土工網(wǎng)組成，該路基斷面結構如圖1所示。

圖1 路基斷面結構簡圖（單位：mm）

2 建立模型

以原路面結構形式、設計尺寸以及主要材料為依據(jù)，通過運用有限元軟件GEOSTUDIO建立路面結構排水系統(tǒng)數(shù)值模型，模型中網(wǎng)格劃分均采用尺寸為20 mm×20 mm的四邊形單元，共包含582個單元和741個節(jié)點，其有限元模型如圖2所示。

圖2 新型排水系統(tǒng)有限元模型

參考當?shù)赝杲涤昵闆r，模擬分析過程中降雨強度設置為26 mm/hr，持續(xù)時間90 min。為保證分析結果的精準性，在模型上部采用大小為降雨強度的流量邊界，兩側和底部均采用不透水邊界。模型中路基沿中心線嚴格對稱，且無介質(zhì)交換；初始地下水位超過地面以下3 m位置；降雨利用流量邊界進行施加，且忽略蒸發(fā)作用的影響。模型中使用到的主要材料參數(shù)如表1所示。

表1 計算模型主要材料參數(shù)

3 新舊排水系統(tǒng)基質(zhì)吸力對比分析

模擬分析主要包括新舊排水系統(tǒng)降雨和排水兩個階段，降雨階段持續(xù)時間為90 min，排水階段持續(xù)時間為360 min，針對路面結構新舊排水系統(tǒng)內(nèi)部水分子滲流情況展開對比研究，通過對比新舊排水系統(tǒng)的基質(zhì)吸力，綜合分析了新舊排水系統(tǒng)的排水性能差異。

3.1 基層基質(zhì)吸力分析

運用數(shù)值分析軟件模擬周期450 min內(nèi)新舊排水系統(tǒng)內(nèi)部水分子滲流情況，并針對路面結構中基層基質(zhì)吸力變化規(guī)律進行對比分析，結果如圖3所示。

圖3 基層基質(zhì)吸力變化曲線

根據(jù)圖3可知，整個滲流過程中新型排水系統(tǒng)的基層吸力均大于舊排水系統(tǒng)。降雨階段隨著水分的滲入，新舊排水系統(tǒng)基層基質(zhì)吸力均不斷減小，其中舊排水系統(tǒng)在降雨18 min時基層水分達到飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力下降為0，而新型排水系統(tǒng)基層吸力雖有所下降，但降雨階段均未達到飽和狀態(tài)，最小基層吸力仍有18 kPa。在降雨停止后，隨著水分的排出，新舊排水系統(tǒng)的基層吸力逐漸有所回升，其中舊排水系統(tǒng)基層吸力在100 min至150 min時間內(nèi)回升效果要優(yōu)于新型排水系統(tǒng)，但超過150 min后舊排水系統(tǒng)基質(zhì)吸力回升效果要明顯低于新型排水系統(tǒng)。綜上所述可知采用新型排水系統(tǒng)不僅可以有效保持基層在降雨過程中的基質(zhì)吸力，更能在降雨停止后有效回升基層基質(zhì)吸力，從而保持道路更好的排水效果。

3.2 路基基質(zhì)吸力分析

運用數(shù)值分析軟件模擬周期450 min內(nèi)新舊排水系統(tǒng)內(nèi)部水分子滲流情況，并針對路面結構中路基基質(zhì)吸力變化規(guī)律進行對比分析，結果如圖4所示。

圖4 路基基質(zhì)吸力變化曲線

根據(jù)圖4可知，在降雨階段隨著水分的滲入，新型排水系統(tǒng)路基的基質(zhì)吸力基本保持不變，而舊排水系統(tǒng)路基的基質(zhì)吸力呈較大的減小趨勢，且在降雨70 min左右路基水分達到飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力下降為零。降雨停止后，新型排水系統(tǒng)路基的基質(zhì)吸力出現(xiàn)小幅度的下降，隨后開始慢慢回升，但整個水分滲流過程新型排水系統(tǒng)路基的基質(zhì)吸力值均遠遠大于舊排水系統(tǒng)。綜合新舊排水系統(tǒng)路基基質(zhì)吸力的變化情況，路面結構采用新型排水系統(tǒng)的排水效果要遠遠優(yōu)于舊排水系統(tǒng)。同時，新型排水系統(tǒng)的設計厚度要遠小于傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的厚度，對路面結構的受力及承載力影響更小，可保證路基同時具有優(yōu)良的排水性能和安全性。

4 新型排水系統(tǒng)影響因素分析

路面結構排水設計中新型排水系統(tǒng)的設計參數(shù)是影響路面排水性能的重要因素，合理的參數(shù)設計可以有效提升路面結構的排水效果，以起到維護道路安全穩(wěn)定和延長使用壽命的作用，本文分別從不同布置方式、厚度以及坡度對新型排水系統(tǒng)排水性能的影響展開了研究。

4.1 布置方式的影響

研究針對新型排水系統(tǒng)以下3種布置方式的路面結構排水效果展開對比分析，方式一：在基層與路基中間取代碎石層布置一道；方式二：在底基層與路基中間布置一道；方式三：在面層與基層中間和路基與基層中間各布置一道，結果如圖5所示。

圖5 不同布置方式下路面結構孔隙水壓力及含水率分布曲線

根據(jù)圖5可知，新型排水系統(tǒng)采用布置方式二和方式三的路面結構面層孔隙水壓力大致相似，均要遠小于布置方式一；基層中布置方式一的孔隙水壓力最大，其次是方式三，方式二的孔隙水壓力最??；3種布置方式的路基土孔隙水壓力基本保持一致。路面結構面層中布置方式二的含水率最大，其次是方式一，布置方式三的面層含水率最??；基層中方式一和三的含水率相差不大，均要大于方式二的含水率；路基土的含水率在不同布置方式下相差不大，且體積含水率均較小。綜上所述，新型排水系統(tǒng)3種布置方式對路基土的排水效果影響不大，其中采用布置方式一的排水效果相對較差，采用布置方式二有利于提升基層的排水效果，采用布置方式三有利于控制面層的含水率。

4.2 厚度的影響

為研究新型排水系統(tǒng)厚度對路面結構排水性能的影響，分別模擬厚度為30 mm、50 mm、70 mm及90 mm的新型排水系統(tǒng)，并針對路面結構的孔隙水壓力和體積含水率展開對比分析，結果如圖6所示。

圖6 不同厚度影響下路面結構孔隙水壓力及含水率分布曲線

根據(jù)圖6可知，當新型排水系統(tǒng)厚度由30 mm增至90 mm時，基層的孔隙水壓力呈不斷減小趨勢，路基土的孔隙水壓力無明顯變化，說明新型排水系統(tǒng)厚度的變化對基層水壓力影響較大，而對路基土的水壓力無太大影響。新型排水系統(tǒng)厚度由30 mm增至90 mm時，基層的體積含水率同樣呈不斷減小趨勢，路基土的體積含水率無明顯變化，說明新型排水系統(tǒng)厚度的變化對路面結構基層含水率影響較大，對路基土的含水率影響非常小。綜上所述，適當增加新型排水系統(tǒng)厚度可以有效控制基層的水壓力和含水率，從而提升路面結構的排水效果，但新型排水系統(tǒng)厚度的增大對于控制路基的水壓力和含水率效果不大。

4.3 坡度的影響

運用有限元分析軟件分別模擬坡度為2%、4%、6%及8%的新型排水系統(tǒng)，并針對路面結構的孔隙水壓力和體積含水率展開對比分析，結果如圖7所示。

圖7 不同坡道影響下路面結構孔隙水壓力及含水率分布曲線

根據(jù)圖7可知，隨著新型排水系統(tǒng)坡度由2%增至8%時，基層的孔隙水壓力呈不斷減小趨勢，但路基土的孔隙水壓力無明顯變化，說明新型排水系統(tǒng)坡度的變化對基層水壓力影響較大，而對路基土的水壓力無太大影響。新型排水系統(tǒng)坡度由2%增至8%時，基層的體積含水率同樣呈不斷減小趨勢，路基土的體積含水率無明顯變化，說明新型排水系統(tǒng)坡度的變化對路面結構基層含水率影響較大，對路基土的含水率影響非常小。綜上所述，新型排水系統(tǒng)坡度的增大對路基的水壓力和含水率基本無影響，適當增加新型排水系統(tǒng)坡度可以有效控制基層的水壓力和含水率，從而提升路面結構的排水效果。

5 結論

本文以實際工程為依托，通過采用數(shù)值模擬的方法，對比研究了新舊排水系統(tǒng)的排水性能，并針對影響新型排水系統(tǒng)排水性能的不同設計參數(shù)展開了分析，得到以下主要結論：新型排水系統(tǒng)不僅可以有效保持基層和路基在降雨過程中的基質(zhì)吸力，更能在降雨停止后有效回升基質(zhì)吸力，從而保持路面結構具有良好的排水效果。新型排水系統(tǒng)3種布置方式對路基土的排水效果影響不大，布置方式二可有效提升基層的排水效果，布置方式三可有效提升控制面層的含水率。新型排水系統(tǒng)厚度和坡度的變化對路基的排水效果基本無影響，適當增加新型排水系統(tǒng)厚度和坡度可以有效控制基層的水壓力和含水率，從而提升路面結構的排水效果。